La notion de temps du point de vue scientifique.

 

Christian Nitschelm

 

I. Introduction.

 

Définitions relatives au temps issues de différents dictionnaires:

 

Temps: Celle des dimensions de l'Univers selon laquelle semble s'ordonner la succession irréversible des phénomènes (Dictionnaire Hachette 1992).

 

Temps: Milieu indéfini où paraissent se dérouler irréversiblement les existences dans leur changement (Dictionnaire Petit Robert 1981).

 

Temps: Mesure de la durée des phénomènes (Petit Larousse 1970).

 

Autres définitions utiles.

 

Moment: Petit intervalle de temps.

 

Instant: Moment infinitésimal (très court ou instantané).

 

Durée, ou intervalle de temps: Pour un phénomène physique, espace de temps compris entre deux instants, l'instant initial et l'instant final.

 

Période: Espace de temps caractéristique d'un phénomène physique.

 

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La notion de temps est irrémédiablement liée au mouvement...

 

Du point de vue de la physique, la notion d'écoulement du temps ne peut donc être définie que dans un certain cadre spatio-temporel préétabli, soit celui de la mécanique classique, soit celui de la mécanique relativiste. La notion d'irréversibilité de la flèche du temps est prépondérante dans ces deux systèmes.

 

II. Cadre spatio-temporel de la mécanique classique.

 

II.1. Notion d'événement.

 

Les phénomènes physiques peuvent être considérés comme des ensembles d'événements, c'est-à-dire de phénomènes élémentaires que l'on caractérise en associant à l'espace ambiant et au temps deux espaces métriques, l'un à trois dimensions et l'autre à une dimension. Le physicien rend objectif ce double repérage en introduisant le mesurage de ces grandeurs, ce qui revient à choisir une origine et une norme dans chacun des deux espaces précédents.

 

II.2. Mesurage du temps.

 

Le mesurage du temps présuppose implicitement une orientation du temps, du passé vers le futur. Cette orientation s'appuie sur l'irréversibilité fondamentale de l'évolution de tous les phénomènes physiques réels et, par conséquent, sur le Second Principe de la Thermodynamique dont l'énoncé peut s'écrire:

 

Pour un système thermodynamiquement isolé, l'entropie (le désordre) ne peut que croître.

 

Pour être complet, le mesurage d'un phénomène physique exige le choix d'une origine temporelle. Elle sera prise conventionnellement à un instant donné de l'évolution du phénomène étudié. Il est ainsi naturel d'adopter comme instant initial l'instant pour lequel l'état du système est connu. Les instants ultérieurs correspondent alors à l'évolution du système vers le futur, à des instants où les mouvements sont encore inconnus, du point de vue du physicien.

 

On mesure le temps à l'aide d'horloges qui sont des systèmes physiques dont on se donne la loi d'évolution en fonction du temps. On définit ainsi une échelle de temps qui dépend de la nature de la loi adoptée. Il existe donc plusieurs échelles de temps basées sur différents processus physiques.

 

Échelles internationales de temps en vigueur.

 

a) Temps atomique international (TAI): Mesure du temps la plus régulière qu'il soit actuellement possible de réaliser, basée sur une vibration atomique de fréquence excessivement bien connue.

 

b) Temps universel (UT1): Mesure du temps qui repose sur la rotation de la Terre sur elle-même et qui reflète les irrégularités de cette rotation.

 

c) Temps universel coordonné (UTC): Mesure de temps rapporté au TAI et qui suit UT1 à moins d'une seconde près. Ce temps est celui de nos horloges.

 

d) Temps des éphémérides (TE): Mesure du temps basée sur le mouvement orbital de la Terre autour du Soleil.

 

e) Temps terrestre (TT): Mesure de temps rapporté au TAI et qui suit TE.

 

Les temps locaux liés aux mouvements de la Terre.

 

a) Temps solaire vrai (en un lieu et à un instant donné): Angle horaire du Soleil en ce lieu à cet instant (cette notion englobe en même temps les mouvements de rotation de la Terre et de révolution autour du Soleil).

 

b) Temps solaire moyen (en un lieu et à un instant donné): Angle horaire d'un soleil fictif, en mouvement circulaire uniforme autour de la Terre, toujours en ce lieu et à cet instant (même remarque, mais avec un mouvement uniforme)

 

c) Équation du temps: Différence entre le temps solaire moyen et le temps solaire vrai en un lieu donné (l'équation du temps est en fait une correction à apporter systématiquement lors de la mesure du temps avec un cadran solaire).

 

d) Temps sidéral (en un lieu et à un instant donné): Mesure du temps liée à la rotation terrestre et rapportée aux étoiles fixes.

 

Le temps légal.

 

En 1884, le choix du méridien origine s'est porté sur celui de l'Observatoire Royal de Greenwich, près de Londres, en Angleterre. Ce n'est cependant qu'en 1911 que cette convention a été largement acceptée. Depuis lors, et suite à quelques modifications ultérieures, l'heure légale dans la plupart des pays du monde est fixée comme étant égale à l'heure officielle de Greenwich, mesurée à l'aide du système UTC, plus ou moins un nombre entier d'heures.

 

En France, les horloges diffusent UTC + 1h en automne et en hiver (de novembre à mars) et UTC + 2h au printemps et en été (d'avril à octobre).

 

Les unités de temps.

 

L'unité officielle de temps, dans le Système International (SI) est la seconde (symbole: s), c'est-à-dire la durée de 9192631770 périodes de radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.

 

De nombreuses autres unités de temps, souvent héritées du passé, sont également utilisées: la minute (symbole min; 60 secondes), l'heure (symbole h; 3600 secondes), le jour (symbole j; 86400 secondes), la semaine (sept jours), le mois (mauvaise approximation de la lunaison), l'année tropique (symbole an; 365.242199 jours), le siècle (cent ans), le millénaire (mille ans)...

 

L'origine des temps.

 

Il convient de ne pas confondre l'instant initial choisi conventionnellement pour une expérience déterminée et "l'instant primordial (initial) de l'Univers". En effet, le premier a un sens physique précis, puisque des événements réels se produisent dans le présent, alors que le second ne s'appuie sur aucun phénomène physique, l'Univers n'existant pas encore à cet instant primordial. Il est cependant possible de relier ces deux instants à l'aide d'une échelle de temps particulière pour laquelle l'instant présent est noté instant zéro, alors que l'instant primordial de l'Univers est noté instant "moins l'infini", ce qui traduit l'absence de signification physique de ce dernier. Ainsi, même en dehors de sa mesure technique, le temps n'est pas qu'un simple paramètre d'évolution, mais est un concept physique qui n'a de sens que relativement à des phénomènes physiques. L'analyse relativiste du temps conforte encore cette conclusion.

 

L'écoulement du temps.

 

L'analyse théorique a montré que l'écoulement du temps n'est pas continu. Il a été en effet possible de mettre en évidence l'existence d'une durée minimale, dite durée de Planck, en dessous de laquelle aucune durée n'a de signification.

Temps de Planck: τP = (hG/2πc5)1/2 = 0.54 10-43 s

 

Notion de référentiel en physique.

 

On peut associer à un repère d'espace {O;x,y,z} un temps unique en synchronisant les horloges de ce repère. La synchronisation se fait généralement en deux étapes, le contrôle de la même marche et le contrôle de la même origine. Le temps unique donné par toutes les horloges du repère est le temps du repère. Il est alors possible de définir la notion de simultanéité. Deux événements sont simultanés si les horloges, préalablement synchronisées et placées aux points où se produisent ces phénomènes, donnent la même indication. L'ensemble d'un repère d'espace et d'un repère de temps constitue un référentiel spatio-temporel.

 

III. Le temps en mécanique relativiste.

 

En mécanique relativiste, le temps, relatif à l'observateur et préalablement multiplié par la vitesse de la lumière, n'est en fait considéré que comme une dimension supplémentaire d'espace. La métrique de l'Univers devient alors un continuum espace-temps à quatre dimensions où le temps perd sa spécificité, à l'exception de son orientation irréversible du passé vers le futur. On définit alors le cône de lumière du passé vers le futur dans le continuum espace-temps...




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